Comportamiento físico mecánico y de permeabilidad a cloruros en el concreto hidráulico con adiciones de metacaolín

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(1)COMPORTAMIENTO FÍSICO - MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2019.

(2) COMPORTAMIENTO FÍSICO - MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. PRESENTADO POR: NOMBRE: YULIEHT ANGELICA GACHA ROJAS CÓDIGO: 505968 NOMBRE: CHRISTIAN MAURICIO VELASCO GUEVARA CÓDIGO: 505829. DIRECTOR: ING. CAMILO HIGUERA FLÓREZ. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2019.

(3) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 3.

(4) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. NOTA DE ACEPTACIÓN: ______________________________________________ ______________________________________________ ______________________________________________ ______________________________________________ ______________________________________________ ______________________________________________. _____________________________________________ FIRMA DEL PRESIDENTE DEL JURADO. _____________________________________________ FIRMA JURADO. _____________________________________________ FIRMA JURADO. BOGOTA D.C.. 4.

(5) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. DEDICATORIA Este trabajo es dedicado principalmente a Dios, quien me dio la paz, fuerza y fortaleza para saltar cualquier obstáculo y hoy estar culminando uno de mis sueños. A mis padres y hermanos, porque me dieron fuerza, apoyo, compañía y perseverancia quienes con su trabajo, sacrificio y amor en estos años ayudaron a sacar adelante este gran logro. A mi esposo por estar siempre presente, quien me brindó su amor, su cariño, y apoyo constante. Su comprensión y paciente para que pudiera culminar el grado son evidencia de su gran amor. A todas las personas que nos han dado su apoyado, que han hecho posible que el trabajo se realice con éxito en especial a aquellos que nos abrieron las puertas y compartieron sus conocimientos para ser unos mejores ingenieros. Autor: Yulieht Angelica Gacha Rojas. Este trabajo está dedicado a Dios que me ha iluminado a lo largo del camino, que me ha dado la oportunidad de ser valiente y luchar por mis sueños y metas, a mis padres que nunca han dejado de creer en mí y siempre me han dado su amor incondicional. A los maestros que me han brindado su conocimiento, su paciencia y su pasión para infundir en mí el conocimiento, que hoy en día me inspiran a buscar ser mejor, más sabio, mejor persona y profesional cada día y en cada circunstancia.. Autor: Christian Mauricio Velasco Guevara. 5.

(6) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. AGRADECIMIENTOS Le agradezco a mi madre Aura Guevara, por su apoyo, por la compañía en esas largas noches de estudio, por sus ánimos para esos días de arduo trabajo y estudio, por enseñarme que el estudio y el conocimiento son el camino para ayudar a que el mundo sea un lugar mejor. A mi familia por creer en mí, a mis amigos que han sido una base moral fuerte para luchar por un mejor mañana, a las personas y empresas con las que he trabajado, que dieron los espacios y horarios para poder seguir estudiando y trabajando al mismo tiempo. Autor: Christian Mauricio Velasco Guevara. Agradezco a Dios por bendecir mi estudio, por guiarnos a lo largo de este camino de lucha, ser el apoyo y fortaleza en aquellos momentos de dificultad y de debilidad. Gracias a mis padres: Sonia y Fernando, por ser los principales promotores de todos los sueños, por confiar y creer en cada expectativa, por los consejos, valores y principios que han inculcado. Agradecemos a nuestros docentes de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Colombia, por haber compartido sus conocimientos a lo largo de nuestra profesión, por la entrega de nuestro tutor en el proyecto de investigación quien ha guiado con su paciencia, y rectitud como docente. Autor: Yulieht Angelica Gacha Rojas. 6.

(7) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. Tabla de contenido RESUMEN ............................................................................................................. 14 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 15 1. GENERALIDADES ......................................................................................... 16 1.1 ANTECEDENTES.................................................................................... 16 1.1.1 Concreto adicionado con metacaolín: comportamiento a carbonatación y cloruros ................................................................................. 16 1.1.2 Especificaciones materiales NSR 10. ............................................... 17 1.1.3 Agregados ........................................................................................ 18 1.1.4 Planteamiento del problema ............................................................. 18 1.2 OBJETIVOS ............................................................................................ 19 1.2.1 Objetivo general. .............................................................................. 19 1.2.2 Objetivos específicos........................................................................ 19 1.3 JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 20 1.4 DELIMITACIÓN ....................................................................................... 21 1.4.1 Espacio............................................................................................. 21 1.4.2 Tiempo ............................................................................................. 21 1.4.3 Contenido ......................................................................................... 21 1.4.4 Alcance............................................................................................. 21 1.5 MARCO REFERENCIAL ......................................................................... 22 1.5.1 Marco teórico .................................................................................... 22 1.5.2 Marco conceptual ............................................................................. 32 1.5.3 Marco legal ....................................................................................... 35 1.6 METODOLOGÍA ...................................................................................... 37 1.6.1 Tipo de Estudio................................................................................. 37 2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS ............................................ 38 2.1 AGREGADO ................................................................................................ 38 2.1.1 Humedad Natural ............................................................................. 38 2.1.2 Absorción ......................................................................................... 38 2.1.3 Densidad .......................................................................................... 39 2.1.4 Masa unitaria suelta ......................................................................... 40 2.1.5 Masa unitaria compactada ............................................................... 41 2.1.6 Granulometrías del agregado ........................................................... 41 2.1.7 Fotografías del agregado ................................................................. 45 2.1.8 Fotografías microscópicas del agregado .......................................... 46 2.1.9 Prueba de fluorescencia de rayos X ................................................. 47. 7.

(8) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 2.2 CEMENTO .................................................................................................. 48 2.2.1 Parámetros físicos y químicos del cemento ..................................... 48 2.2.2 Prueba de fluorescencia de rayos X ................................................. 48 2.3 METACAOLÍN ............................................................................................. 49 2.3.1 Caracterización química del metacaolín ........................................... 49 2.3.2 Caracterización física del metacaolín ............................................... 50 3. DISEÑO DE MEZCLAS .................................................................................. 51 4. ELABORACIÓN DE MUESTRAS .................................................................. 53 4.1 ELABORACIÓN DE MUESTRAS CILÍNDRICAS DE MORTERO ............ 53 4.1.1 Procedimiento:.................................................................................. 53 4.2 ELABORACIÓN DE MUESTRAS CUBICAS DE MORTERO ................... 56 5. ENSAYOS DE MUESTRAS ........................................................................... 58 5.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ....................................................... 58 5.1.1 Registro fotográfico .......................................................................... 59 5.2 DENSIDAD, ABSORCIÓN Y RELACIÓN DE VACÍOS............................. 59 5.2.1 Registro fotográfico .......................................................................... 61 5.3 SORTIVIDAD ............................................................................................... 61 5.3.1 Registro fotográfico .......................................................................... 62 5.4 COEFICIENTE DE MIGRACIÓN DE CLORUROS................................... 62 5.4.1 Registro fotográfico .......................................................................... 63 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS .......................................................................... 65 6.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ....................................................... 65 6.1.1 Resultados ....................................................................................... 65 6.1.2 Análisis ............................................................................................. 66 6.2 DENSIDAD, ABSORCIÓN Y RELACIÓN DE VACÍOS .......................................... 68 6.2.1 Resultados absorción y relación de vacíos ...................................... 68 6.2.2 Análisis absorción y relación de vacíos ............................................ 68 6.2.3 Resultados densidad ........................................................................ 70 6.2.4 Análisis densidad.............................................................................. 71 6.3 SORTIVIDAD ........................................................................................... 72 6.3.1 Resultados ....................................................................................... 72 6.3.2 Análisis ............................................................................................. 73 6.4 COEFICIENTE DE MIGRACIÓN DE CLORUROS................................... 75 6.4.1 Resultados ....................................................................................... 75 6.4.2 Análisis ............................................................................................. 76 6.5 DISCUSIÓN ............................................................................................. 77 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 79. 8.

(9) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 7.1 CONCLUSIONES .................................................................................... 79 7.2 RECOMENDACIONES............................................................................ 81 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 82. 9.

(10) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 Ensayo de absorción por inmersión (ASTM C642) ............................ 17 Ilustración 2 Compresión, coacción, ultrasonido, NT Build-492, módulo de elasticidad, microscopia ......................................................................................... 32 Ilustración 3 Procedimiento de la granulometría .................................................... 42 Ilustración 4 Fotografías de cada uno de los agregados utilizados........................ 45 Ilustración 5 Agregado #30 – Aumento 34X .......................................................... 46 Ilustración 6 Agregado #12 – Aumento 34X .......................................................... 46 Ilustración 7 Pesaje Material .................................................................................. 53 Ilustración 8 Mezcla homogénea cemento, arena y metacaolín ............................ 54 Ilustración 9 Hidratación mezcla ............................................................................ 55 Ilustración 10 Fundida de cilindros......................................................................... 55 Ilustración 11 Fraguado de muestras..................................................................... 56 Ilustración 12 Muestra para ensayo de resistencia a la compresión ...................... 57 Ilustración 13 Ubicación de muestra ...................................................................... 59 Ilustración 14 Falla de muestra .............................................................................. 59 Ilustración 15 Ecuaciones de cálculo ASTM C-642 ............................................... 60 Ilustración 16 Toma de masa ................................................................................. 61 Ilustración 17 Secado de muestras en el horno ..................................................... 61 Ilustración 18 Laboratorio Sortividad...................................................................... 62 Ilustración 19 Ecuaciones de cálculo NT BUILD 492 ............................................. 63 Ilustración 20 Ensayo de Migración de Cloruros .................................................... 63 Ilustración 21 Muestra cortada axialmente cubierta con nitrato de plata ............... 64. 10.

(11) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. LISTA DE GRAFICAS Grafica 1 Curvas granulométricas 1....................................................................... 27 Grafica 2 Curva de gradación del agregado #12. .................................................. 43 Grafica 3 Curva de gradación del agregado #30. .................................................. 44 Grafica 4 Carga Vs Metacaolín .............................................................................. 66 Grafica 5 Esfuerzo en Fć (MPa) Vs Metacaolín .................................................... 67 Grafica 6 %Absorción Vs %Metacaolín ................................................................. 69 Grafica 7 %Vacíos Vs %Metacaolín ...................................................................... 69 Grafica 8 Densidad Vs % Metacaolín .................................................................... 71 Grafica 9 Masa Vs %Tiempo Sortividad ................................................................ 74 Grafica 10 Difusión (x10¯¹² m²/s) Vs %Metacaolín ................................................ 76 Grafica 11 Fć vs Densidad ................................................................................... 77 Grafica 12 Fć vs Dnssm ....................................................................................... 78. 11.

(12) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. LISTA DE TABLAS Tabla 1 Clasificación del agregado según su densidad ......................................... 23 Tabla 2 Denominación y abertura de tamices ........................................................ 25 Tabla 3 Denominación y abertura de tamices ........................................................ 26 Tabla 4 Ensayo sobre cemento ............................................................................. 30 Tabla 5 Densidad ................................................................................................... 30 Tabla 6 Categorías y clases de exposición ............................................................ 33 Tabla 7 Humedad natural del agregado ................................................................. 38 Tabla 8 % de absorción del agregado. .................................................................. 39 Tabla 9 Densidad (gr/cm3) y peso específico (KN/m3) del agregado. ................... 40 Tabla 10 Masa unitaria suelta (gr/cm3) del agregado. ........................................... 40 Tabla 11 Masa unitaria compactada (gr/cm3) del agregado. ................................. 41 Tabla 12 Granulometría del agregado #12. ........................................................... 43 Tabla 13 Granulometría del agregado #30. ........................................................... 44 Tabla 14 Composición química de la arena para la fabricación de las muestras. . 47 Tabla 15 Parámetros físicos del cemento utilizado en los ensayos. ...................... 48 Tabla 16 Parámetros químicos del cemento utilizado en los ensayos. .................. 48 Tabla 17 Composición química del cemento para la fabricación de las probetas. . 49 Tabla 18 Caracterización Química ......................................................................... 49 Tabla 19 Caracterización Física............................................................................. 50 Tabla 20 Mezcla 1 - 0% Metacaolín ...................................................................... 51 Tabla 21 Mezcla 2 - 10% Metacaolín .................................................................... 52 Tabla 22 Mezcla 3 - 20% Metacaolín .................................................................... 52 Tabla 23 Mezcla 4 - 30% metacaolín ..................................................................... 52 Tabla 24 Resistencia a la compresión ................................................................... 65 Tabla 25 Resultados de Calculo Absorción y volumen de vacíos .......................... 68 Tabla 26 Resultados Cálculo de Densidad ............................................................ 70 Tabla 27 Sortividad ................................................................................................ 72 Tabla 28 Absorción I (mm) ..................................................................................... 73 Tabla 29 Datos Muestras ....................................................................................... 75 Tabla 30 Resultados promediados NTB 492 NORDTEST METHOD .................... 76. 12.

(13) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. LISTA DE ANEXOS 1. Registro fotográfico de ensayos realizados.. 13.

(14) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. RESUMEN En el siguiente estudio se investigó el comportamiento físico mecánico y de permeabilidad a cloruros en los concretos adicionados con metacaolín, se diseñaron mezclas de concreto y se fundieron cilindros con adiciones del 0%, 10%, 20% y 30% de metacaolín. Se realiza la caracterización de las materias primas dispuestas para la elaboración de las muestras, los cuales cumples con lo establecido en la normatividad colombiana. Las muestras son evaluadas mediante los siguientes ensayos de laboratorio: Resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico (ASTM-C642), densidad, absorción y relación de vacíos de concreto, Sortividad (ASTM-C1585), medición de la tasa de absorción de agua por los concretos y Migración de ion cloruro en el concreto (NT Build-492). Con los resultados obtenidos en estos ensayos, se identificaron los parámetros máximos y mínimos para adicionar metacaolín en mezclas de cemento hidráulico, debido a que dichas dosificaciones tienden a disminuir la resistencia a la compresión del material. De acuerdo con lo anterior, se evidencia que la adición del 10% de metacaolín mantiene una resistencia a la compresión optima dentro de los rangos establecidos por la norma sin presentar mayores variaciones con respecto al 20% y 30% de agregado, en los cuales se puede evidenciar una modificación notable de la resistencia. Finalmente, se pudo determinar que la adición de metacaolín genera una mejora importante en las características de durabilidad de las muestras de concreto, debido a que a mayor contenido de metacaolín se presenta una reducción en el coeficiente de difusión al ión cloruro del material evaluado.. 14.

(15) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. INTRODUCCIÓN En el presente documento se muestran los resultados del estudio del comportamiento del concreto adicionado con metacaolín. En la actualidad, el concreto es el material manufacturado más utilizado por el ser humano, así como el material que más se implementa en diferentes obras de construcción. Por lo tanto, dicho material se constituye como la principal fuente de construcción de infraestructura, así como uno de los motores del desarrollo económico de la sociedad. En ese orden de ideas, el estudio del concreto es fundamental para el desarrollo y construcción de infraestructura. De forma general, el concreto solo soporta esfuerzos a compresión, de tal manera que los esfuerzos a tracción y tensión deben ser soportados por barras de acero que se añaden para tal fin, conocidas como acero de refuerzo. La unión de concreto simple y acero se conoce con el nombre de concreto reforzado. Sin embargo, este material (al parecer completamente sólido) es altamente poroso, razón por la cual es susceptible a sufrir ataques de agentes químicos que lo penetran. De todos los agentes que lo pueden atacar, el cloruro se convierte en la mayor amenaza para las estructuras de concreto, debido a que penetra la matriz sólida, generando de esta forma, corrosión en el acero de refuerzo. Debido a lo anterior, en los últimos años han surgido diferentes estudios para determinar cómo se puede mitigar el daño que sufren las estructuras de concreto debido a la acción del ion cloruro. En ese marco, la presente investigación consiste en determinar cómo se afecta la penetración de cloruros en el concreto si se hacen adiciones de metacaolín a la mezcla de concreto. Para tal fin, se fabrican muestras de concreto con diferentes contenidos de metacaolín, y se implementa el ensayo de migración del ion cloruro (NT Build 492), sobre dichas muestras para caracterizar su comportamiento.. 15.

(16) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 1. GENERALIDADES 1.1. ANTECEDENTES.. El uso del concreto es uno de los más antiguos en la construcción, aunque no hay datos exactos de su aparición, se puede discernir su uso en los años 5600 A.C en Yugoslavia, donde unían rocas con una mezcla “argamasa” compuesta de arena y cal con la cual se generaba una estructura simple. La implementación de este método también se encontró en varias construcciones en el antiguo Egipto, en estructuras tales como las pirámides: Jufu - Kafra – Menkaura (por su nombre egipcio) pero estas rocas fueron unidas con yeso calcinado impuro y arena. En otro método en el cual se utilizaba cal viva y agua se obtenían bajas resistencias, por lo cual se realizaron más pruebas, después de muchos ensayos y errores con distintos materiales y procesos de mezcla, encontraron que las arenas de rocas volcánicas combinadas con cal y agua eran más resistentes. Esta fórmula fue utilizada para construir el teatro de Pompeya ubicado en Puzzulí, dándole a esta combinación el nombre de cemento puzolánico1. 1.1.1 Concreto adicionado con metacaolín: comportamiento a carbonatación y cloruros La principal causa de deterioro en estructuras de concreto es la corrosión del acero de refuerzo, generalmente iniciada por mecanismos de carbonatación y difusión de cloruros. Con la finalidad de mejorar el comportamiento del concreto ante estos ataques, en los últimos años se han implementado las adiciones minerales como alternativa para modificar las características del material. Teniendo en cuenta lo anterior, el metacaolín se ha convertido en una alternativa para la mejora de las propiedades del concreto. De acuerdo con esto, en el año 2018, Ruby Mejía de Gutiérrez llevo a cabo una investigación para determinar el efecto de la adición de metacaolín en el concreto ante ataques de cloruros y dióxido de carbono. El ensayo de absorción de agua y porosidad total se llevó a cabo con base en la norma ASTM C642 en especímenes con 28, 90 y 360 días de curado. El grado de hidratación de cada uno de los concretos se incrementó a través de los períodos de curado prolongados y en función del tipo de adición incorporada, lo cual. 1. GÓMEZ, Jaime, Tecnología del Concreto, Propiedades, Materiales y Diseño de Mezclas, 3 ed. 2010, Bogotá D.C. ASOCRETO, 2010 Tomo 1 lSBN: 978-958-8564-03-6.. 16.

(17) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. contribuyó a disminuir la absorción total y la porosidad de los concretos, comportamiento que se puede observar en la “Ilustración 1 Ensayo de absorción por inmersión (ASTM C642)”. Todos los concretos adicionados, a partir de una edad de curado de 90 días, presentaron una absorción total inferior al 1,0 % y un volumen de poros permeables inferior al 4,6 %, este valor es menor al obtenido en los concretos de referencia (OPC); se destacan entre estos los adicionados con MK2. Ilustración 1 Ensayo de absorción por inmersión (ASTM C642). Fuente: MEJÍA DE GUTIÉRREZ, Ruby. Concreto adicionado con metacaolín.. 1.1.2 Especificaciones materiales NSR 10. El concreto y los materiales que se usen para la construcción tienen que estar regidos por las Normas Técnicas Colombianas (NTC) y certificadas por ICONTEC en caso de que no se cumpla con estas debe regirse a las normas de la Sociedad Americana Para Ensayos y Materiales (ASTM) Y Asociación Americana De Oficiales Estatales De Carreteras y transportes (AASHTO) las cuales están en la Norma Sismo Resistente del 2010 (NSR-10) en el titulo C - Concreto Estructural3.. 2. MEJÍA DE GUTIÉRREZ, Ruby. Concreto adicionado con metacaolín: Comportamiento a carbonatación y cloruros, Universidad del Valle, Cali valle del cauca, 2018 59p. 3. Ministerio de ambiente vivienda y desarrollo territorial, reglamento colombiano de construcción sismo resistente, NSR 10, Titulo C-Concreto estructural, Colombia, Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, 2014, 41p.. 17.

(18) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 1.1.3 Agregados Los agregados que se pueden utilizar deben de haber pasado por ensayos para garantizar su durabilidad y resistencia, estos deben de haber cumplido las Normas Técnicas Colombianas (NTC) y la Sociedad Americana Para Ensayos (ASTM). 1.1.4 Planteamiento del problema 1.1.4.1 Descripción del problema Se realizaron muestras de concreto adicionando metacaolín, para poder realizar los respectivos ensayos y comprobar si es efectivo o no su uso para disminuir la penetración de los cloruros. Se pueden presentar problemas que afecten física o mecánicamente, los cuales se deben caracterizar por su grado de daño o impacto relevante al agregar metacaolín se verificara con los ensayos respectivos que se realizaron en los laboratorios de la Universidad Católica de Colombia. Revisando los resultados que se den con el ensayo de migración de Ion cloruro en el concreto NT Build 492 lo cual optimizara el tiempo. Analizar los resultados de las muestras que se realizaran con adición de metacaolín así se podrá verificar e identificar la optimización del uso de este producto o los posibles problemas que afecte el concreto. 1.1.4.2 Formulación del problema ¿Cuál es el porcentaje de permeabilidad al ion cloruro obtenido por los concretos adicionados con metacaolín? 1.1.4.3 Sistematización • • • •. ¿Cuál es el porcentaje adecuado de metacaolín que se debe adicionar a una mezcla de concreto para mejorar su permeabilidad al ion cloruro? ¿Cuál es el impacto económico que acarrea el uso de metacaolín en las mezclas de concreto? ¿Qué lineamientos técnicos y legales se deben tener en cuenta para incluir metacaolín en los diseños de mezcla de concreto? ¿Qué impacto tiene la adición de metacaolín la resistencia del concreto?. 18.

(19) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. 1.2. VERSIÓN 0. OBJETIVOS. 1.2.1 Objetivo general. Analizar el comportamiento físico - mecánico y de permeabilidad a cloruros en el concreto hidráulico con adiciones de metacaolín. 1.2.2 Objetivos específicos. • • • •. Elaborar muestras de concreto con adición de metacaolín. Caracterizar físico-mecánicas las muestras elaboradas Realizar el ensayo de migración de ion cloruro en el concreto NT Build-492. Analizar resultados obtenidos en función del contenido de metacaolín.. 19.

(20) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. 1.3. VERSIÓN 0. JUSTIFICACIÓN. El comportamiento de los materiales es de sumo cuidado en la construcción, lo cual lleva a investigar y encontrar los componentes de mayor calidad, con cualidades que mejoren el producto resultante a través de la manufactura de estos. Entre los productos resultantes encontramos el concreto como uno de los más importantes en el gremio constructor por su bajo costo al momento de la fabricación, pero también existen factores a investigar, como la permeabilidad a cloruros en el concreto, la presencia del ion cloruro corroe el acero de refuerzo y a futuro genera daños por perdida de resistencia a la flexión. Por eso es necesario acudir a las adiciones que aumentan las características hidráulicas y puzolánicas, las cuales ayudan al concreto disminuyendo la relación de vacíos, mejorando la unión de los agregados y mitigando problemas futuros. Se conocen adiciones como las cenizas volantes, el humo sílice, la escoria de alto horno y el metacaolín entre otras, este último será objeto de investigación para el actual proyecto, en donde el objetivo principal es evaluar la mitigación de la permeabilidad de los cloruros en concretos adicionados con metacaolín. Se medirá el rendimiento de la adición de metacaolín como un material cementante, será adicionado a la mezcla de concreto con el fin de disminuir los vacíos y mitigar la permeabilidad de los cloruros, los cuales afectan el acero por efectos de corrosión. Se busca disminuir la porosidad normal del concreto manteniendo una buena trabajabilidad, resistencia y módulo de elasticidad.. 20.

(21) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. 1.4. VERSIÓN 0. DELIMITACIÓN. 1.4.1 Espacio •. Salas de computación de la Universidad Católica de Colombia.. •. Laboratorios y equipos de la Universidad Católica de Colombia.. 1.4.2 Tiempo El desarrollo del proyecto se llevará a cabo del 28 de enero del 2019 al 29 de abril del 2019. 1.4.3 Contenido • •. Informe de trabajo de Grado: Comportamiento físico - mecánico y de permeabilidad a cloruros en el concreto hidráulico con adiciones de metacaolín. Artículo: Comportamiento físico - mecánico y de permeabilidad a cloruros en el concreto hidráulico con adiciones de metacaolín.. 1.4.4 Alcance • •. • •. Se calificará el tipo de concreto sin refuerzo, el estudio no va dirigido a la afectación de los refuerzos al contacto con los cloruros. Con los resultados obtenidos se dará apoyo a la investigación de migración del ion cloruro en conjunto a otras líneas de investigación para permeabilidad del concreto según distintos aditivos. El desarrollo de las muestras y toma de ensayos será llevado a cabo en el primer semestre del año 2019-1. Los materiales de trabajo serán los disponibles en la Universidad Católica de Colombia, bajo el presupuesto dispuesto para la investigación del ING. Héctor Camilo Higuera Flórez.. 21.

(22) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. 1.5. VERSIÓN 0. MARCO REFERENCIAL. A continuación, se muestran el marco teórico, de referencia y legal sobre los cuales se va a desarrollar el anteproyecto. 1.5.1 Marco teórico 1.5.1.1 Estructuras . Propiedades Físico-mecánicas. En el diseño de estructuras de concreto reforzado, se encuentran distintos tipos de modelado y control de esfuerzos a los que están sometidos los elementos que componen las macroestructuras que se observan a diario en el entorno. Dichas estructuras cuentan con análisis de esfuerzos, control de los materiales, control del refuerzo, y en el sistema de instalación para todos los componentes del concreto reforzado. Como punto de análisis inicial están los esfuerzos a cortante, momento, flexión, compresión, deformación, el tipo de cargas que pueden ser perpendiculares al elemento o axial a su eje longitudinal, cargas externas, cargas propias y eventos sísmicos. Con el análisis en todos estos campos se diseñan las estructuras para ofrecer comodidad, seguridad a los usuarios y en menor grado proteger el patrimonio. Como efecto de estudio se trabajó la compresión y la elasticidad de los concretos propuestos para cumplir con el estudio. Para la compresión se usó la norma “INVE-323-13 Resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico”. . Propiedades Durabilidad-química. Como hecho importante la durabilidad de las estructuras es un punto crucial para el desarrollo de los proyectos de ingeniería, por lo cual se debe contemplar y estimar a través del tiempo, de qué forma se verán afectados los elementos en contacto con el medio ambiente y los componentes existentes durante su uso. Según lo anterior se debe diseñar para que la estructura resista ciertos cambios en el ambiente y componentes imperceptibles, por lo cual se trabajara la penetración de los cloruros presentes en el medio ambiente y el comportamiento del concreto con adición de metacaolín en contacto con los cloruros.. 22.

(23) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 1.5.1.2 Agregados Para el concreto estructural, los agregados se encuentran en un 75% de del volumen final después de fraguado, el agregado que debe acomodarse de forma óptima ya sea por métodos de vibrado o la fluidez con que se diseña el concreto, este agregado con resistencia óptima “composición química” ofrece resistencia y durabilidad que aumentan la dureza y resistencia del concreto, por dichos motivos es necesario estudiar los agregados con el fin de crear un concreto denso, sin vacíos, para la reacción más favorable con el cemento. Para este trabajo se necesita verificar los agregados finos y gruesos que serán adicionados a las mezclas diseñadas. . Clasificación de los Agregados. En general los agregados para concreto se han clasificado de varias maneras a través del tiempo, pero principalmente desde el punto de vista de su tamaño, procedencia y densidad. . Densidad. Con el control de la densidad de agregados finos y gruesos presentes en un Volumen de concreto, se establece la mínima y máxima presencia de elementos según su tamaño para obtener la rigidez y durabilidad deseada del concreto. Para este control se utilizarán los ensayos “NTC-237-14 MÉTODO PARA DETERMINAR LA DENSIDAD Y LA ABSORCIÓN DEL AGREGADO FINO” y “INV-223-13 DENSIDAD, DENSIDAD RELATIVA (GRAVEDAD ESPECIFICA) Y ABSORCIÓN DEL AGREGADO GRUESO”. Otra forma de clasificar los agregados es según su densidad, la cual depende de la cantidad de masa por unidad de volumen y del volumen de los poros, ya se trate de agregados naturales o artificiales. Esta distinción se hace porque afecta la densidad del concreto (ligero, normal o pesado) que se desea producir, esto lo indica la tabla 1 a continuación: Tabla 1 Clasificación del agregado según su densidad. 23.

(24) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. Tipo de concreto. Peso unitario del concreto Kg/m3. VERSIÓN 0. Peso unitario del agregado Kg/m3. 500 – 800 950 – 1,350 1,450- 1,950. 480 – 1,040. Normal. 2,250 – 2,450. 1,300 – 1,600. Pesado. 3,000 – 5,600. 3,400 – 7,500. Ligero. Ejemplo de utilización. Ejemplo de agregado. Concreto para aislamiento, concretos para rellenos y mampostería no estructural Concreto estructural Concreto estructural y no estructural Concreto para protección contra radiación gamma o X, y contrapesas. Piedra pómez Perlita Canto rodado. Agregado de río Piedra barita, magnetita. Fuente: Introducción al Concreto, Escuela de Ingenieros Militares.. . Granulometría. Se desea verificar la distribución del agregado fino y grueso existente en un volumen de concreto con una mezcla específica por medio de tamizado, “NTC-174 ESPECIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS PARA CONCRETO”. La forma más generalizada de clasificar los agregados es según su tamaño, el cual varía desde fracciones de milímetros hasta varios centímetros en sección transversal. Esta distribución del tamaño de las partículas es lo que se conoce con el nombre de granulometría.. 24.

(25) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. Tabla 2 Denominación y abertura de tamices Denominación del tamiz. Designación ISO. 150 mm 125 mm 106 mm 90 mm 75 mm 63 mm 53 mm 45 mm 37,5 mm 31,5 mm 26,5 mm 22,4 mm 19 mm 16 mm 13,2 mm. 22.4 mm. 11,2 mm 9,5 mm 8 mm 6,7 mm. 11,2 mm. 160 mm. 8 mm. Designación ICONTEC Normal Alterno. 107,6 mm 101,6 mm 90,5 mm 76,1 mm 64 mm 53,8 mm 50,8 mm 45,3 mm 38,1 mm 32 mm 26,9 mm 25,4 mm 22,6 mm 19 mm 16 mm 13,5 mm 12,7 mm 11,2 mm 9,51 mm 8 mm 6,73 mm. 4.24” 4” 3-1/2” 3” 2-1/2” 2” 1-3/4” 1-1/2” 1-1/4” 1.06” 1” 7/8” ¾” 6/8” 0.53” ½” 7/16” 3/8” 5/16” 0,285” ¼”. Fuente: Introducción al Concreto, Escuela de Ingenieros Militares.. 25. Antigua designación ASTM 6” 5” 4.24” 3-1/2” 3” 2-1/2” 2.12” 2” 1-3/4” 1-1/2” 1” 1,06” 1” 7/8” ¾” 5/8” 0,53” 7/16” 3/8” 5/16” 0,285”.

(26) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. Tabla 3 Denominación y abertura de tamices Denominación del tamiz. 5,6 mm 4,75 mm 4 mm 3,35 mm 2,8 mm 2,36 mm 2 mm 1,7 mm 1,4 mm 1,18 mm 1 mm 850 μm 710 μm 600 μm 500 μm 425 μm 355 μm 300 μm 250 μm 212 μm 180 μm 150 μm 125 μm 106 μm 90 μm 75 μm 63 μm 53 μm 45 μm 38 μm. Designación ISO. 5,6 mm 4 mm. 2 mm 1,4 mm 1 mm 710 μm 500 μm 355 μm 250 μm 180 μm 125 μm 90 μm 63 μm 45 μm. Designación ICONTEC 6,35 mm 5,66 mm 4,76 mm 4 mm 3,36 mm 2,83 mm 2,38 mm 2 mm 1,68 mm 1,41 mm 1,19 mm 1 mm 841 mm 707 mm 595 mm 500 μm 420 μm 354 μm 297 μm 250 μm 210 μm 177 μm 149 μm 125 μm 105 μm 88 μm 74 μm 63 μm 53 μm 44 μm 37 μm. N˚ 3-1/2 N˚ 4 N˚ 5 N˚ 6 N˚ 7 N˚ 8 N˚ 10 N˚ 12 N˚ 14 N˚ 16 N˚ 18 N˚ 20 N˚ 25 N˚ 30 N˚ 35 N˚ 40 N˚ 45 N˚ 50 N˚ 60 N˚ 70 N˚ 80 N˚ 100 N˚ 120 N˚ 140 N˚ 170 N˚ 200 N˚ 230 N˚ 270 N˚ 325 N˚ 400. Fuente: Introducción al Concreto, Escuela de Ingenieros Militares.. 26. Antigua designación ASTM N˚ 3-1/2 N˚ 4 N˚ 5 N˚ 6 N˚ 7 N˚ 8 N˚ 10 N˚ 12 N˚ 14 N˚ 16 N˚ 18 N˚ 20 N˚ 25 N˚ 30 N˚ 35 N˚ 40 N˚ 45 N˚ 50 N˚ 60 N˚ 70 N˚ 80 N˚ 100 N˚ 120 N˚ 140 N˚ 170 N˚ 200 N˚ 230 N˚ 270 N˚ 325 N˚ 400.

(27) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. Grafica 1 Curvas granulométricas 1. Fuente: Ejemplo de Curva Granulométrica generada en Excel, 20 de febrero 2008, Carlos Rogerio Santana. . Humedad. Determinar el contenido de agua en los agregados para incluirlo con el contenido de agua general de una muestra de concreto, este contenido de agua esta combinado químicamente con agregado y se elimina exponiendo la muestra a altas temperaturas. Estos resultados se determinan mediante el ensayo “NTC-1776 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR POR SECADO EL CONTENIDO TOTAL DE HUMEDAD DE LOS AGREGADOS” Y “I.N.V. E- 216 CONTENIDO TOTAL DE AGUA EVAPORABLE DE LOS AGREGADOS POR SECADO”. . Abrasión. Según los tamaños de las muestras se estudia su comportamiento ante la degradación de los agregados por fricción y abrasión con otros elementos de igual o mayor dureza que la propia, este ensayo se efectúa por medio de la máquina de los ángeles, para efectos de resistencia del material. Los resultados son determinados por el ensayo “NTC 98 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE AGREGADOS GRUESOS HASTA DE 37,5. 27.

(28) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. mm, UTILIZANDO LA MÁQUINA DE LOS ÁNGELES”, “I.N.V. E- 218 RESISTENCIA A LA DEGRADACIÓN DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 mm (1 ½”) POR MEDIO DE LA MAQUINA DE LOS ANGELES” y “I.N.V. E- 219 RESISTENCIA A LA DEGRADACIÓN DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5MAYORES DE 19 mm (1 ¾”) POR MEDIO DE LA MAQUINA DE LOS ANGELES” . 1.5.1.3 Agua El agua es el componente del concreto en virtud de cual, el cemento experimenta reacciones químicas que le dan propiedades de fraguar y endurecer para formar un sólido único con los agregados. El agua de la mezcla interviene en las reacciones de hidratación del cemento. La cantidad debe ser la estrictamente necesaria, pues la sobrante que no interviene en la hidratación del cemento se evaporará y creará huecos en el hormigón disminuyendo su resistencia. Puede estimarse que cada litro de agua de exceso supone anular dos kilos de cemento en la mezcla. Sin embargo, una reducción excesiva de agua originaría una mezcla seca, poco manejable y muy difícil de colocar en obra. Por ello es muy importante fijar adecuadamente la cantidad de agua. . Agua de Curado. El curado puede definirse como el conjunto de condiciones necesarias para que la hidratación de la pasta evolucione sin interrupción, hasta que todo el cemento se hidrate y el concreto alcance sus propiedades potenciales. Por lo tanto, el agua de curado constituye el suministro adicional de agua para hidratar eficientemente el cemento. El agua de los morteros debe estar limpia, sin impurezas ni productos nocivos para los aglomerantes (agua potable). El agua de mar, el agua muy dura y la que contiene materias químicas u orgánicas debe excluirse de la preparación de hormigones. La cantidad de agua que hay que incorporar a la mezcla depende de la humedad natural contenida en los agregados.. 28.

(29) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 1.5.1.4 Cemento Un material cementante es aquel que tiene las propiedades de adhesión y cohesión necesarias para unir agregados inertes y conformar una masa sólida de resistencia y durabilidad adecuadas. Esta categoría tecnológicamente importante de materiales incluye no sólo el cemento sino también limos, asfaltos y alquitranes, tal como se usan en la construcción de carreteras y otros. Para la fabricación del concreto estructural se utilizan exclusivamente los llamados cementos hidráulicos. Para completar el proceso químico (hidratación) mediante el cual el polvo de cemento fragua y endurece para convertirse en una masa sólida se requiere la adición de agua. El cemento Portland es el más común de todos. El cemento es un producto obtenido el pulverizar el Clinker que resulta de la calcificación hasta una función incipiente de una mezcla debidamente dosificada de material calcáreo y arcilloso, con adición de yeso. Este cemento tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua ya que con ella experimenta hidratación. Por lo cual también se denomina cemento hidráulico. . Tipos de Cemento • • • • • •. . Tipo UG: Cemento hidráulico para construcción general. Tipo ART: Alta Resistencia Temprana. Tipo MRS: Moderada Resistencia a los Sulfatos. Tipo ARS: Alta Resistencia a los Sulfatos. Tipo MCH: Moderado Calor de Hidratación. Tipo BCH: Bajo Calor de Hidratación4.. Finura. En la caracterización del cemento, se cuenta con un ensayo “NTC 33 MÉTODO PARA DETERMINAR LA FINURA DEL CEMENTO HIDRÁULICO POR MEDIO DEL APARATO BLAINE DE PERMEABILIDAD AL AIRE” en este ensayo se determina. 4. Norma Técnica Colombiana, Especificación de desempeño para cemento hidráulico, NTC 121, 1806-2014, Bogotá D.C., 2018, 10p.. 29.

(30) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. la capacidad de recubrimiento en una superficie específica para determinar el área sobre gramo de cemento. Tabla 4 Ensayo sobre cemento. TEMA Finura: Aparato de Blaine Finura: Tamices NTC 44 Finura: Tamices NTC 75 y 149 Finura: Turbidímetro.. Norma NTC 33 294 226 597. Antecedente ASTM C204 C430 C184 C597. Normas que deben consultarse 121 32 32,184 32, 294.. Fuente: Introducción al Concreto, Escuela de Ingenieros Militares.. . Densidad. Se utiliza el método de ensayo “NTC-221 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA DENSIDAD DEL CEMENTO HIDRÁULICO”. Tomando como base que si la cantidad de cemento es mayor en relaciona a sus agregados, puede desencadenar una exudación mayor y un mal fraguado, por el contrario, si la cantidad de cemento en la mezcla es menor, la cohesión de los materiales puede ser baja y desembocando e3n un posible descascara miento y perdida de agregados. Tabla 5 Densidad. TEMA Densidad. Norma NTC 221. Antecedente ASTM C188. Fuente: Introducción al Concreto, Escuela de Ingenieros Militares.. . Fraguado. Con el control óptimo del fraguado, se controla la pérdida de agua por exudación y el tiempo que se debe mantener un curado idóneo según la temperatura del sitio, hay 2 ensayos utilizados normalmente “NTC 118 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE FRAGUADO DEL CEMENTO HIDRÁULICO MEDIANTE AGUJA DE VICAT”.. 30.

(31) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. 1.5.1.5 Concreto . Asentamiento de la Mezcla. Control de asentamiento de la mezcla de concreto de cemento hidráulico para obra y en laboratorio. Estos resultados se obtienen del ensayo “NTC 396 MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL ASENTAMIENTO DEL CONCRETO (SLUMP)”. . Permeabilidad a los Cloruros “NT BUILD 492”. El método es aplicable a especímenes endurecidos hechos en laboratorio o perforados a partir de estructuras de campo. La migración de cloro coeficiente determinado por el método es una medida de la resistencia del material probado a la penetración de cloruro. El coeficiente de migración de estado no estable, no se puede comparar directamente con coeficientes de difusión de cloruro obtenidos de los otros métodos de prueba, como la inmersión en estado no estable o la prueba de migración en estado estable. El método requiere muestras cilíndricas con un diámetro de 100 mm y un espesor de 50 mm, en rodajas de cilindros de fundición o núcleos perforados con una longitud mínima de 100 mm. Un potencial eléctrico externo se aplica axialmente a través del espécimen y fuerza a los iones cloruro afuera a migrar hacia el espécimen. Después de una determinada duración de la prueba, el espécimen es dividido axialmente y una solución de nitrato de plata se pulveriza en una de las secciones recién divididas. La profundidad de penetración del cloruro puede medirse a partir del cloruro de plata blanco visible, después de lo cual el coeficiente de migración del cloruro se calcula a partir de esta profundidad de penetración5.. 5. NORDTEST METHOD, Chloride migration coefficient from non-steady-state migration experiments, NT BUILD-492, ED. 1999-11, 2018, 1-6p.. 31.

(32) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. Ilustración 2 Compresión, coacción, ultrasonido, NT Build-492, módulo de elasticidad, microscopia. Fuente: Chloride migration coefficient from non-steady-state migration experiments, NT BUILD-492.. 1.5.1.6 Diseño de Mezclas El tipo de mezcla generada según la dosificación de materiales en ella permite mayor o menor, manejabilidad, tiempo de curado y costos, por lo tanto, es preciso el uso de mezclas adecuadamente diseñadas para encontrar un estado óptimo de la relación entre la pasta de cemento y los agregados, logrando disminuir la relación de vacíos en el concreto. 1.5.2 Marco conceptual 1.5.2.1 Metacaolín El metacaolín es un material Sillico-aluminoso activado que se obtiene mediante la calcinación a 650-800 °C de una arcilla llamada caolín (4). El MK de alta reactividad, un mineral puzolánico sintético, reacciona de forma muy vigorosa con el hidróxido cálcico, lo que mejora de forma significativa las prestaciones del hormigón. Esta sustancia ha demostrado ser una alternativa adecuada al humo de sílice en la formulación de hormigones de alta resistencia o de altas prestaciones. De hecho, Justica y otros (8) observaron que el MK de alta reactividad producía resultados mejores incluso que el humo de sílice y mejoraba las propiedades del hormigón a la. 32.

(33) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. vez que garantizaba una buena trabajabilidad. Con una relación aguaconglomerante de entre 0,36 y 0,38, el hormigón con MK precisa desde un 25 hasta un 35% menos de aditivo supe plastificante que el material que lleva HS para lograr un escurrimiento en el cono de entre 120 y 180 mm. El primero tiene una textura más suave y fragua algo más rápidamente, además de producir menos exudación y permitir un mejor acabado que el hormigón con HS6. 1.5.2.2 Cloruro Son contaminantes fuertes y agresivos porque al combinarse con el agua de lluvia provocan la formación de ácido clorhídrico o acido hipocloroso. En concreto, el primero se puede llegar a combinar con la cal de hidrolisis de los cementos, produciendo cloruro cálcico y rebajando el pH del material. Entonces, el material sufre una fuerte presión de cristalización que disgregara su superficie. Tabla 6 Categorías y clases de exposición. Fuente: Introducción al Concreto, Escuela de Ingenieros Militares.. 1.5.2.3 Penetración De Cloruros Los iones de cloruro penetran a través del concreto al refuerzo acero inicialmente por acción capilar, especialmente si el hormigón es seco, y luego por otros mecanismos, el más significativo es la difusión La tasa de penetración está determinada en gran medida por la estructura de poros de la matriz del concreto, que puede modificarse significativamente mediante el uso de SCM. El concreto con. 6. Rafik Abbas, Salah A. Abo-El-Enein, El-Sayed Ezza, Propiedades y durabilidad del cemento con adición de metacaolín: mortero y hormigón, Egipto, 17-diciembre 2010, 1p.. 33.

(34) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. baja permeabilidad es más resistente a la corrosión relacionando daños y otros mecanismos de deterioro que requieren la entrada de agua o agentes agresivos en el agua en el concreto como ASR, ataque de sulfato congelación y descongelación. Mientras que la permeabilidad al agua, que influye directamente en estos mecanismos de deterioro. Se pueden medir probando la penetración del cloruro, es la prueba más común para la corrosión.7. 1.5.2.4 Corrosión El concreto protege el acero incrustado de la corrosión, a través de su naturaleza altamente alcalina. El entorno de pH alto en el concreto (usualmente mayor que 13.0) causa un daño pasivo y se forma una película de óxido protector no corrosivo alrededor del acero. Sin embargo, la presencia de iones cloruro del aire o el agua de mar puede destruir o penetrar esta película que conduciendo a la corrosión. La corrosión del acero es un proceso expansivo: el subproducto de la corrosión, el óxido, induce unas significativas tensiones y eventual desprendimiento del hormigón sobre el refuerzo de acero8. 1.5.2.5 Agrietamiento El agrietamiento del concreto es un proceso aleatorio, altamente variable e influido por muchos factores. A causa de la complejidad del problema, los métodos disponibles para predecir el ancho de las grietas se fundamentan principalmente en la observación de ensayos. La mayor parte de las ecuaciones que se han desarrollado estiman el ancho máximo probable de la grieta, lo cual significa comúnmente que casi el 90 por ciento de los anchos de grietas en el elemento van. 7. NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM, Guidelines for Concrete Mixtures Containing Supplementary Cementitious Materials to Enhance Durability of Bridge Decks, Primera edición, 2007, WASHIGTON D.C., 21p. 8 KOSMATKA,. Steven H, Michelle L.Wilson, Design and Control of Concrete Mixtures-PCA, Bridges, Other Structures, and Hydraulics and Hydrology • Materials and Construction, Quinceava edición, Washigton D.C. 2011, 16 de Septiembre del 2018, 215p.. 34.

(35) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. VERSIÓN 0. a estar por debajo del valor calculado. Sin embargo, algunas veces pueden ocurrir grietas aisladas con ancho superior al doble del calculado9. 1.5.3 Marco legal • • • • • • • • • • • •. • • •. Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente NSR-10 Titulo-C NSR-10 en el que se encuentra los temas tratados en el Capítulo C.3 para la investigación. Norma técnica colombiana NTC 1486 Encargada de la documentación. Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. Norma técnica colombiana NTC 4490 Referencias documentales para fuentes de información electrónicas. Norma técnica colombiana NTC 5613 Referencias bibliográficas. Contenido, forma y estructura NTC-237-14 Método Para Determinar la Densidad y la Absorción del Agregado Fino NTC 673 Ensayo de resistencia a la compresión de especímenes cilíndricos de concreto NTC 4025 Método de ensayo para determinar el módulo de elasticidad estático y la relación de poisson en concreto a compresión NTC-174 Especificación de los agregados para concreto NTC-1776 Método de ensayo para determinar por secado el contenido total de humedad de los agregados I.N.V. E- 216 Contenido total de agua evaporable de los agregados por secado I.N.V. E- 219 Resistencia a la degradación de los agregados de tamaños menores de 37.5mayores de 19 mm (1 ¾”) por medio de la máquina de los ángeles NTC 33 Método para determinar la finura del cemento hidráulico por medio del aparato Blaine de permeabilidad al aire NTC-221 Método de ensayo para determinar la densidad del cemento hidráulico NTC 118 Método de ensayo para determinar el tiempo de fraguado del cemento hidráulico mediante aguja de vicat. 9. NILSON, Arthur H, Diseño de Estructuras de Concreto, McGRAW-HILL INTERAMERICANA, S.A., Duodécima edición, Bogotá D.C., 2001, 16 de septiembre del 2018, 211p.. 35.

(36) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. • • • • • •. VERSIÓN 0. NTC 396 Método de ensayo para determinar el asentamiento del concreto (SLUMP) NT BUILD 492 Permeabilidad a los Cloruros INV-E-323-13 Resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico NTC 220 cementos. Determinación de la resistencia de morteros de cemento hidráulico usando cubos de 50 mm o 50,8 mm de lado ASTM-C642 Density, Absorption, and Voids in Hardened Concrete” ASTM C1585 measurement of rate of absorption of water by hydraulic-cement concretes. 36.

(37) FECHA: MAY-2019 FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. 1.6 • • • • • •. VERSIÓN 0. METODOLOGÍA Investigación de los antecedentes referentes a la problemática investigada. Diseño de mezclas, según porcentajes variables de los componentes. Fabricación de probetas según diseño. Ejecución de ensayos mecánicos y físicos sobres las probetas elaboradas y su caracterización. Ejecución del ensayo “NT BUILD 492” sobre las muestras fabricadas para determinar su comportamiento a penetración de cloruros. Análisis de los resultados.. 1.6.1 Tipo de Estudio Trabajo de investigación.. 37.

(38) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. 2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS 2.1. AGREGADO. 2.1.1 Humedad Natural La humedad natural es la cantidad de agua que tiene un agregado a temperatura ambiente. Es un procedimiento sencillo y consiste en pesar una cantidad mayor a 200 gr de agregado en su estado natural, posteriormente se coloca en el horno a una temperatura de 100+5°C por 24 horas. Después de transcurrido dicho tiempo, se vuelve a pesar, por lo cual la humedad natural (w) se halla mediante la siguiente expresión: 𝑤(%) =. 𝑊𝑛 − 𝑊𝑠 𝑊𝑛. Donde: Wn: Peso natural de la muestra Ws: Peso seco de la muestra Para los agregados utilizados en el presente trabajo se obtuvieron los siguientes datos: Tabla 7 Humedad natural del agregado. #12. W natural (gr) 500. W seco (gr) 499.8. #30. 500. 499.6. Material. W (%) 0.04 0.08. Fuente: Elaboración propia. 2.1.2 Absorción La absorción indica el incremento en la masa del agregado debido al agua en los poros del material, pero sin incluir el agua adherida a la superficie exterior de las partículas, expresado como un porcentaje de la masa seca. Para hallar este valor, se deja saturar la muestra durante 24 horas, y después se pesa una muestra no menor a 200 gr seca superficialmente. Esta muestra se lleva al horno a una temperatura de 100+5°C por 24 horas y posteriormente se pesa la muestra seca.. 38.

(39) COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. Tabla 8 % de absorción del agregado.. #12. W húmedo (gr) 500. W seco (gr) 486.3. Absorción (%) 2.74. #30. 500. 485.7. 2.86. Material. Fuente: Elaboración propia. 2.1.3 Densidad La densidad es una propiedad (δ) física de los agregados y está definida por la relación entre la masa y el volumen de un agregado determinado, lo que significa que depende directamente de las características del grano de agregado. Para este ensayo se siguen las recomendaciones hechas en la NTC327. Este ensayo consiste en tomar una muestra de más de 200 gr de agregado y depositarlo en una probeta con agua para determinar cuál es el volumen que ocupa dicho material. Posteriormente se seca esta muestra en el horno, y se pesa. La densidad se halla mediante la siguiente expresión: 𝛿=. 𝑊𝑠 𝑉. Donde: Ws = Peso de la muestra seca V = Volumen que ocupa la muestra. Por otro lado, el peso específico (γ) es la relación entre el peso de una muestra de agregado y su volumen, por lo que se halla mediante la expresión: 𝛾 = 𝛿∗𝑔 Donde: δ = Densidad de la muestra. g = Gravedad (Asumida como 9.81 m/s2) De este modo, las densidades y pesos específicos que tienen los agregados usados en la presente tesis son:. 39.

(40) COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. Tabla 9 Densidad (gr/cm3) y peso específico (KN/m3) del agregado.. #12. W muestra (gr) 499.80. V total (ml) 440. V muestra (ml) 190. #30. 420.80. 410. 160. Material. δ γ (gr/cm3) (KN/m3) 2.63 26.31 2.63. 26.30. Fuente: Elaboración propia. 2.1.4 Masa unitaria suelta La masa unitaria es la relación entre la masa de un agregado y el volumen que ocupa, y se diferencia de la densidad en que para hallar la masa unitaria se tiene en cuenta el volumen de vacíos. Para hallar la masa unitaria suelta se utilizan los procedimientos descritos en la NTC-092. El procedimiento consiste en llenar el molde de 2500 ml con el agregado hasta el borde y nivelar. Posteriormente se pesa, y la masa unitaria se calcula mediante la expresión: 𝑀=. 𝑊𝑚𝑚 − 𝑊𝑚 𝑉. Donde: Wmm = Peso del material y el molde Wm = Peso del molde. V = Volumen del molde, en este caso 2500 ml 0 2500 cm 3. Los valores de masa unitaria suelta encontrados en este material fueron:. Tabla 10 Masa unitaria suelta (gr/cm3) del agregado.. #12. W mat + molde (gr) 6854. W molde (gr) 2715. V molde (ml) 2500. Mus (gr/cm3) 1.66. #30. 6826. 2715. 2500. 1.64. Material. Fuente: Elaboración propia. 40.

(41) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. 2.1.5 Masa unitaria compactada La masa unitaria se halla de forma similar a la masa unitaria suelta. La diferencia radica en que, para hallar la masa unitaria compactada, se divide el llenado del molde en tres etapas. Primero se llena hasta la tercera parte con agregado y se apisona 25 veces con una varilla. Se hace lo mismo con las otras dos capas hasta llenar el molde hasta el borde. Posteriormente se pesa todo y la masa unitaria compactada se halla de forma análoga al anterior ensayo, mediante la expresión: 𝑀=. 𝑊𝑚𝑚 − 𝑊𝑚 𝑉. Donde: Wmm = Peso del material y el molde Wm = Peso del molde. V = Volumen del molde, en este caso 2500 ml o 2500 cm3. Los valores de masa unitaria compactada encontrados en este material fueron: Tabla 11 Masa unitaria compactada (gr/cm3) del agregado.. #12. W mat + molde (gr) 7154. W molde (gr) 2715. V molde (ml) 2500. #30. 7198. 2715. 2500. Material. Muc (gr/cm3) 1.78 1.79. Fuente: Elaboración propia. 2.1.6 Granulometrías del agregado El análisis granulométrico del agregado tiene por objeto determinar las cantidades en que están presentes partículas de ciertos tamaños en el material. La prueba consiste en hacer pasar la muestra a través de diferentes mallas y determinar el porcentaje de material que se retiene en cada una. En la norma de la ASTM C 33 se estipulan todos los requerimientos que se deben tener en cuenta para hacer una granulometría. Para este trabajo se utilizaron dos tipos de combinaciones de mallas, las cuales fueron: 41.

(42) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. •. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. Mallas: 4, 10, 12, 16, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100 y 200.. La disposición de las mallas y el equipo utilizado para hacer cada una de las granulometrías se muestra a continuación: Ilustración 3 Procedimiento de la granulometría. Fuente: Elaboración propia. A continuación, se muestra la granulometría de cada uno de los agregados utilizados.. 42.

(43) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. •. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. Agregado #12. La granulometría obtenida para el agregado #12, se muestra a continuación: Tabla 12 Granulometría del agregado #12. TAMIZ 4 10 12 16 20 30 40 50 60 80 100 200 FONDO TOTAL. PESO RETEN.(G) 0 0.6 12.6 71.5 14.1 1.3 0 0 0 0 0 0 0 100.1. % QUE PASA 100 99.4 86.8 15.4 1.3 0 0 0 0 0 0 0 0. % RETENIDO 0 0.6 12.6 71.4 14.1 1.3 0 0 0 0 0 0 0. % RETENIDO ACUMULADO 0 0.6 13.2 84.6 98.7 100 100 100 100 100 100 100. Grava (%) 13.20 Arena (%) 86.80 Finos (%) 0.00 Clasifica SP Coef. Curvatura Cc 1.05 Coef. Uniformidad Cu 1.43 Diámetro Efectivo D10 1.05 Módulo de finura 8.97. Fuente: Elaboración propia. Con estos datos se logra graficar la siguiente curva de gradación para el agregado: Grafica 2 Curva de gradación del agregado #12.. Curva de gradación 100. % que pasa. 80 60 40 20 0 10. 1. 0,1. Apertura del tamiz (mm). Fuente: Elaboración propia. 43. 0,01.

(44) COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. •. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. Agregado #30. La granulometría obtenida para el agregado #30, se muestra a continuación: Tabla 13 Granulometría del agregado #30. TAMIZ. PESO RETEN.(G). % QUE PASA. % RETENIDO. % RETENIDO ACUMULADO. 0 10 12 16 20 30 40 50 60 80. 0 0 0 2.9 18.1 46.2 25.6 5.4 0.7 0.5. 100 100 100 97.1 79 32.7 7 1.6 0.9 0.4. 0 0 0 2.9 18.1 46.3 25.7 5.4 0.7 0.5. 0 0 0 2.9 21 67.3 93 98.4 99.1 99.6. 100. 0. 0.4. 0. 99.6. 200. 0. 0.4. 0. 99.6. FONDO. 0.4. 0. 0.4. TOTAL. 99.8. Grava (%) 0.00 Arena (%) 99.60 Finos (%) 0.40 Clasifica SP Coef. Curvatura CC 1.02 Coef. Uniformidad Cu 1.67 Diámetro Efectivo D10 0.45 Módulo de finura 6.81. Fuente: Elaboración propia. Con estos datos se logra graficar la siguiente curva de gradación para el agregado: Grafica 3 Curva de gradación del agregado #30.. Curva de gradación 100. % que pasa. 80 60 40 20 0 10. 1. 0,1. Apertura del tamiz (mm). Fuente: Elaboración propia. 44. 0,01.

(45) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. 2.1.7 Fotografías del agregado A continuación, se muestran fotografías década uno de los agregados utilizados, para diferenciarlos bien uno del otro: Ilustración 4 Fotografías de cada uno de los agregados utilizados.. Agregado #12. Agregado #30 Fuente: Elaboración propia. 45.

(46) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. 2.1.8 Fotografías microscópicas del agregado A continuación, se muestran fotografías de todos los agregados, tomadas con un microscopio: Ilustración 5 Agregado #30 – Aumento 34X. Fuente: Elaboración propia Ilustración 6 Agregado #12 – Aumento 34X. Fuente: Elaboración propia. 46.

(47) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. 2.1.9 Prueba de fluorescencia de rayos X Para conocer la composición química del agregado, se hizo un ensayo de fluorescencia de rayos X sobre una muestra de agregado. Por medio de esta prueba se pueden reconocer casi la totalidad de los elementos y compuestos químicos que conforman un material. Los ensayos fueron realizados en los laboratorios de la Universidad Nacional de Colombia y fueron financiados con el presupuesto del proyecto a cargo del ingeniero Héctor Camilo Higuera Flores, Docente de la Universidad Católica de Colombia. Tabla 14 Composición química de la arena para la fabricación de las muestras. Elemento y/o compuesto % en peso. Fuente: Elaboración propia. 47. SiO2. 97.821. Al2O3. 0.981. Fe2O3. 0.693. TiO2. 0.169. P2O5. 0.097. MgO. 0.095. CaO. 0.064. K2O. 0.027. Cr. 0.018. Zr. 0.013. MnO. 0.011. SiO2. 0.005. Sr. 0.004. Zn. 0.002.

(48) FACULTAD DE INGENIERÍA COORDINACIÓN TRABAJO DE GRADO. 2.2. COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO Y DE PERMEABILIDAD A CLORUROS EN EL CONCRETO HIDRÁULICO CON ADICIONES DE METACAOLÍN. FECHA: MAYO-2019 VERSIÓN 0. CEMENTO. Como se había indicado anteriormente el cemento utilizado para la fabricación de las muestras fue cemento Samper Tipo I. La caracterización de este material fue más sencilla que la de los agregados, debido a que proviene de un proceso estandarizado. 2.2.1 Parámetros físicos y químicos del cemento De acuerdo con esto, los parámetros físicos del cemento para elaborar las muestras de concreto son: Tabla 15 Parámetros físicos del cemento utilizado en los ensayos. Parámetros Densidad (gr/cm3) Fraguado inicial mínimo (min) Fraguado final máximo (min) Expansión autoclave máximo (%) Expansión en agua máximo (%) Resistencia a 3 días (MPa) Resistencia a 7 días (MPa) Resistencia a 28 días (MPa). 2.95 90 320 0.80 0.02 9.0 16.0 26.0. Fuente: Elaboración propia. Además, también se tienen los parámetros químicos del cemento utilizado para la fabricación de las muestras de concreto, los cuales son: Tabla 16 Parámetros químicos del cemento utilizado en los ensayos. Parámetros MgO (%) SO (%). 6.00 3.50. Fuente: Elaboración propia. 2.2.2 Prueba de fluorescencia de rayos X Más, sin embargo, al cemento si se le pudo hacer la prueba de fluorescencia de igual forma que se hizo con los agregados. Mediante este ensayo se puede conocer toda la composición química del dicho cemento, la cual muestra que:. 48.